物联网在煤矿生产上的应用

“物联网”(Internet ofThings)是指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络_。“物联网”的出现，颠覆了传统的思维模式，揭开了新一轮信息技术革命的序幕，正推动着信息技术在各行各业更深入应用的新一轮信息化浪潮。中国煤矿资源丰富，但是地理位置偏僻，矿井巷道纵横交错，井下作业人员的生命财产安全很难有所保障。物联网技术应用于煤矿安全生产，将对矿井作业人员的生命财产安全提供重要的保障。

1 组网原理

从技术架构上来看，物联网可分为3层：感知层、网络层和应用层。物联网应用于煤矿安全生产，其感知层采用全球免费微波频段2.4 GHz RFID射频识别技术实现无线远距离标签识别。在矿井巷道适当位置分布式安装读卡器，入井员工随身携带统一分配的电子标签卡。当员工进入读卡器的感知范围，电子标签将该员工的身份码信息发送至读卡器，读卡器再将数据经网络层传输至上位机分析处理，实现应用层的跟踪检测、查询报警等相关应用。矿井物联网的组网原理如图1所示。

图1 矿井物联网组网原理图

2 感知层设计

射频识别RFID(Radio Frequency Identi6cation)技术被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一口1。感知层工作频率采用2．4 GHz ISM频段，由标签、读卡器两部分组成。员工身份码信息经RFID标签传输至读卡器。再由读卡器向上传输。

2．1 电子标签

标签采用2．4 GHz ISM频段有源电子标签设计，由入井员工随身携带。是射频系统真正的数据载体。主要由收发模块、控制模块以及电源模块组成。收发模块包括射频收发天线，负责将射频信号转换成DC电源的电源产生电路、电能存储电路、信号调制和解调以及时钟发生电路。采用2.4 GHz无线远距离收发模块JF24D芯片设计O控制模块由微控制器构成，负责读写控制、访问控制以及收发模块控制，实现对解调信号译码，以及回送数据的编码。电源模块对收发、控制模块提供电压。

2．2 RFID读卡器

RFID读卡器的基本任务是启动数据载体(RFID标签)，与其进行数据交换来实现非接触无线通信。读卡器和电子标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，提供信号状态控制、奇偶错误校验与更正等功能。读卡器硬件设计与电子标签硬件设计相似， 由发送器和接收器组成的无线收发模块、电源模块、控制单元以及与外界其他设备通信所需的各种标准接口模块组成。读卡器的基本工作流程如图2所示。

图2 读卡器工作流程

3 网络层设计

网络层相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息，其基本结构主要包括3种：星形、环形和总线形 。本设计采用总线形网络拓扑结构组网。网络层是物联网成为普遍服务的基础设施，有待突破的方向是向下与感知层的结合，向上与应用层的结合。

矿井物联网的组网主要有总线式电缆结构组网、工业以太环网结构组、总线式光纤结构组网3种方案。由于煤矿井下巷道错综复杂。延伸距离较长，对于长距离数据传输，电气网络往往不能满足要求，而光纤网络可以满足长距离数据传输并且保持较高的传输速率，所以选择总线式光纤专网组网结构方案。从井下到地面数据的传输选择光纤网络，其余网络采用电缆线传输。读卡分站相当于数据基站，读卡器采集到的电子标签的身份码数据首先在读卡分站汇总，再由读卡分站将数据进行误码检查，确认无误后再向上传输。光端机是电缆线路和光纤线路， 以及光纤线路与光纤线路的接口，通过内置的数据报文转换协议，将读卡分站上传的数据最终转发至监控室计算机，实现应用层功能。网络层组网方案如图3所示。